(中國兵器工業(yè)試驗測試研究院，陜西 華陰 714200)

0 引言

隨著現(xiàn)代兵器技術特別是信息技術在兵器裝備領域的不斷發(fā)展和應用，常規(guī)武器將進一步向遠程打擊、高速機動、精確制導、高效毀傷等方向發(fā)展，武器系統(tǒng)的快速發(fā)展，勢必帶來新測試技術和測試方法的快速發(fā)展，提高靶場測試能力，研究新的測試技術以及測試方法，是新時期靶場建設的一項迫在眉睫的任務。傳統(tǒng)的靶場外彈道測試主要依靠雷達設備和光學設備，這些測量設備在以往的靶場外彈道測試中發(fā)揮了至關重要的作用。雷達設備由于受到功率、設備精度等因素的影響，跟蹤距離短，而且隨著時間的推移，測量誤差會越來越大；光電設備通過光學原理實現(xiàn)對目標的跟蹤測試，但是光學設備對自然環(huán)境天氣依賴性比較高，且測量精度受到設備自身精度、布站位置、交匯角等因素的影響比較大。隨著GPS/BD定位技術的快速發(fā)展，由于其自身的精度一致性好，測量精度不會隨時間發(fā)生變化，且可以全天時進行工作，不受環(huán)境天氣等因素的影響，為新形勢下武器系統(tǒng)的外彈道飛行軌跡測量提供了有力的技術支持，是新形勢下武器系統(tǒng)測量的一種有效途徑。

目前武器項目在靶場進行科研階段關鍵技術驗證試驗時，對試驗飛行關鍵彈道段的測試數(shù)據(jù)以及武器系統(tǒng)的殘核回收尤為關注，由于科研階段武器系統(tǒng)彈道準確性和彈內測試系統(tǒng)可靠性較低。在實際飛行過程中，武器系統(tǒng)飛行測量主要依托雷達和遙測的測試數(shù)據(jù)，雷達主要負責外彈道測量，遙測負責接收武器系統(tǒng)內部飛控數(shù)據(jù)，包括武器系統(tǒng)GPS/BD定位數(shù)據(jù)。雷達外測設備在沒有靶場網(wǎng)絡覆蓋的試驗彈道航區(qū)、落區(qū)進行測試時，由于設備自身天線波束與觀測角度小(全功率天線半波束角一般都小于0.5°)、無目標搜索功能，在航區(qū)落區(qū)測試時，通過程控理論彈道驅動天線進行測試，當實際飛行與理論彈道出現(xiàn)較大偏差時，由于雷達自身波束較窄，可能探測不到目標，增加試驗測試風險[1]。通過對靶場測試設備分析，通過遙測與雷達組網(wǎng)的測試方法，提出利用遙測天線波束角寬(一般都大于5°)、遙測數(shù)據(jù)中的GPS/BD定位數(shù)據(jù)，通過多設備局部組網(wǎng)方式，引導雷達進行跟蹤測試的方法。該方法利用遙測地面站天線波束角大、捕獲距離遠、GPS/BD組合導航定位信息誤差固定、不隨彈道的變化而變化、可全天候測試等特點，將遙測、彈載遙測數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)、雷達布設在航區(qū)和落區(qū)彈道關鍵段，組成局域網(wǎng)，利用遙測地面站接收到的GPS/BD導航信息，引導雷達進行跟蹤測試[2,3]。

1 遙測引導雷達測試

彈載遙測GPS/BD信息引導雷達方法主要包括以下幾個步驟，首先彈載GPS/BD實時測量彈體的時空位置，遙測采編器采集GPS/BD發(fā)送的實時位置信息，通過遙測發(fā)射機與遙測發(fā)射天線發(fā)射到空間；遙測地面站實時接收彈載遙測發(fā)射機發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理終端通過網(wǎng)絡方式提取實時遙測數(shù)據(jù)，然后對提取的遙測實時數(shù)據(jù)結合遙測數(shù)據(jù)波道編碼方式，將GPS/BD數(shù)據(jù)從波道中實時提取，實時還原為原始GPS/BD數(shù)據(jù)，然后對原始GPS/BD數(shù)據(jù)進行坐標轉換，轉換為武器系統(tǒng)發(fā)射坐標系下的坐標數(shù)據(jù)，并將坐標數(shù)據(jù)按照雷達的引導需求，通過指控中心網(wǎng)絡實時發(fā)送至雷達，完成引導測試功能。其主要流程如下圖1所示。

圖1 GPS/BD數(shù)據(jù)處理流程圖

試驗開始前，將遙測地面接收設備與雷達設備進行組網(wǎng)，遙測地面站和雷達加載理論彈道；試驗開始后，遙測地面站和雷達設備按照理論彈道驅動天線進行搜索，由于遙測地面站天線波束寬、接收距離遠，易于捕獲目標，當遙測地面站接收到遙測數(shù)據(jù)后，信號穩(wěn)定，實時解析遙測數(shù)據(jù)中的GPS/BD定位數(shù)據(jù)，解析后，并實時發(fā)送至雷達設備，引導雷達進行測試，當雷達通過引導數(shù)據(jù)捕獲目標后，雷達切換至自跟蹤模式，進行測試。試驗過程中，當雷達丟失目標時，切換回引導測試模式，捕獲目標后，再切換回自跟蹤模式進行測試。

2 遙測引導雷達局部組網(wǎng)設計

2.1 測試局域網(wǎng)組建技術

靶場測試局域網(wǎng)是遙測地面站、遙測數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)、雷達、通信指揮車(網(wǎng)絡交換機)組成。采用通信指揮車可以將半徑15 km內的測試設備組網(wǎng)，采用網(wǎng)絡交換機可以將布設在一起(100 m內)的測試設備可靠組網(wǎng)。遙測地面站實時接收遙測數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)線發(fā)送給遙測數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)，遙測數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)將處理好的引導數(shù)據(jù)通過無線mesh(屏蔽網(wǎng)線)發(fā)送到通信指揮車(網(wǎng)絡交換機)，雷達被引導設備通過無線(屏蔽網(wǎng)線)接收引導數(shù)據(jù)。局域網(wǎng)內的引導數(shù)據(jù)采用UDP協(xié)議組播方式進行傳輸，組播傳輸算法采用核心樹算法。

圖2 測試局域網(wǎng)組建示意圖

2.1.1 組播工作原理

組播是一種允許一個或多個發(fā)送者(組播源)發(fā)送單一的數(shù)據(jù)包到多個接收者(一次的、同時的)的網(wǎng)絡技術。它與廣播傳輸?shù)牟煌幵谟谥挥袑儆谠摻M播組地址的主機才能接收到數(shù)據(jù)包。要實現(xiàn)組播，組播源和組播接收者以及兩者之間的網(wǎng)絡連接都必須支持組播，包括路由器、 交換機、 集線器和防火墻等網(wǎng)絡設備均需支持組播[4]。圖2給出了組播的例子。

圖3 組播示例圖

2.1.2 組播IP地址

IP地址方案專口為組播劃出一個地址范圍，在IPv4中為D類地扯，最高位為1H0，范圍是224.0.0.0到239.255.255.255,并將D類地址劃分為下3種:

1)局部鏈接地址:224.0.0.0～224.0.0.255，用于局域網(wǎng)，路由器不轉發(fā)屬于此范圍的IP包；

2)預留組播地址:224.0.1.0～238.255.255.255，用于全球范圍或網(wǎng)絡協(xié)議；

3)管理權限地址:239.0.0.0～239.255.255.255，組織內部使用，用于限制組播范圍。

實際上，在組播通信中，需要兩種地址：—個IP組播地址和一個Ethernet組播地址?？紤]到遙測站與雷達組網(wǎng)設備較少，遙測與雷達組建局域網(wǎng)時，組播的IP地址選為224.0.0.1，端口8000。

2.1.3 核心樹組播傳送算法

組播的傳送算法主要有洪泛法、生成樹法、反向路徑組播與核心樹，這些算法各有利弊，同樣考慮到局域網(wǎng)內設備較少，為了提高網(wǎng)絡資源利用效率，遙測與雷達組建局域網(wǎng)時，組播數(shù)據(jù)的傳送采用核心樹算法。

2.2 多設備間引導數(shù)據(jù)協(xié)議設計

2.2.1 引導數(shù)據(jù)可靠傳輸設計

使用彈載遙測GPS/BD數(shù)據(jù)引導雷達進行跟蹤時，由于在航區(qū)和落區(qū)進行測試時，遙測地面站開始按照程控模式進行跟蹤，開始發(fā)射后，距離遠，遙測地面站收到的遙測數(shù)據(jù)誤碼多，引導數(shù)據(jù)的可靠性就會降低，雷達通過引導模式，接收引導數(shù)據(jù)，由于誤碼的原因，會導致雷達按照引導數(shù)據(jù)進行跟蹤時，雷達天線偶爾會出現(xiàn)伺服失控現(xiàn)象。因此，必須保障引導數(shù)據(jù)信息在整個測試網(wǎng)絡內的可靠傳輸，包括彈載GPS/BD定位數(shù)據(jù)到遙測地面站的可靠傳輸與引導數(shù)據(jù)在遙測、雷達的局域網(wǎng)內的可靠傳輸[5]。

保障引導數(shù)據(jù)的可靠性傳輸，實質上是對需要傳輸?shù)男畔⒓由闲ｒ灪笤賯鬏敚邮諗?shù)據(jù)的一方在收到數(shù)據(jù)后，先根據(jù)事先約定好的校驗方法求得所接收到數(shù)據(jù)的校驗字，然后與接收到的校驗字進行比較，來判斷接收到的數(shù)據(jù)是否在傳輸過程中發(fā)送錯誤[6-7]。

圖4 引導數(shù)據(jù)可靠傳輸原理圖

引導數(shù)據(jù)在多設備局域網(wǎng)內的可靠傳輸?shù)姆椒閷崟r處理后得到的數(shù)據(jù)加CRC校驗后傳輸。

具體做法如下[8-10]：

1)引導協(xié)議設計時，加入CRC校驗位，可以采取16位CRC校驗，如果被引導設備本身的從動工作模式的引導協(xié)議不包含CRC校驗，設計協(xié)議轉化軟件，部署在被引導設備上，由協(xié)議轉換軟件接收網(wǎng)絡上的引導數(shù)據(jù)，并轉化為被引導設備引導協(xié)議數(shù)據(jù)格式驅動被引導設備從動跟蹤。

2)對遙測數(shù)據(jù)實時處理軟件得到的引導數(shù)據(jù)，加CRC校驗后，按照規(guī)定的協(xié)議發(fā)送給雷達等被引導設備。

2.2.2 遙測引導雷達協(xié)議設計

對雷達引導可以使用指控中心網(wǎng)絡協(xié)議將引導數(shù)據(jù)發(fā)送給指控中心，由指控中心對雷達進行引導，也可以按照遙測與雷達約定的直連協(xié)議進行引導。試驗院現(xiàn)有彈道測試雷達主要有相控陣雷達、WEIBEL40、WEIBEL43等三部雷達，相控陣雷達為搜索導引雷達，且為首區(qū)固定站雷達，不需要引導跟蹤。WEIBEL雷達接入網(wǎng)絡使用外引導跟蹤模式時，采用雷達自身的M/S協(xié)議。本方案采用了雷達的引導協(xié)議2作為引導數(shù)據(jù)的格式要求，其協(xié)議自帶CRC數(shù)據(jù)校驗。

指控中心通用協(xié)議如下：

1 Byte BYTE 源標識

1 Byte BYTE 性質

2 Byte unsigned short 包長度

4 Byte unsigned int 時間(從當日零點起)毫秒

1 Byte BYTE 源標識 0x21～0x2F

1 Byte BYTE 性質 0x01：

1 Byte BYTE 坐標系 0x00：靶場坐標系；0x01：發(fā)射坐標系；0x02：測量(雷達/經(jīng)緯儀)坐標系；

1 Byte BYTE 坐標類型0x00：極坐標；0x01：直角坐標。

1 Byte BYTE 幀頻 數(shù)據(jù)包的頻率(幀/秒)

1 Byte BYTE 目標數(shù) 該包數(shù)據(jù)中包含的目標數(shù)量

1 Byte BYTE 工作模式 1/0：檢查/工作

1 Byte BYTE 工作狀態(tài) 0：通道檢查 1：引導檢查 2：傳送設備系統(tǒng)誤差 3：設備故障

1 Byte BYTE 保留

1 Byte BYTE 引導模式 1/0：引導信息有/無

1 Byte BYTE 跟蹤狀態(tài) 1/0：跟蹤/丟失

1 Byte BYTE 保留

2 Byte unsigned short wObjectID

8Byte double 方位(°)

8Byte double 俯仰(°)

8Byte double 斜距(米)

8Byte double 速度(米/秒)

8Byte double X位置(米)

8Byte double Y位置(米)

8Byte double Z位置(米)

8Byte double X方向速度(米/秒)

8Byte double Y方向速度(米/秒)

8Byte double Z方向速度(米/秒)

1 Byte BYTE 目標：0x00：未知；0x01：靶機；0x02：導彈

1 Byte BYTE 0x00：真實位置；0x01：外推位置

61 Byte BYTE bReserve[61]

2 Byte CRC-checksum CRC校驗位 (X-Modem protocol)

雷達引導協(xié)議如下：

4 Byte Dword Time 相對時間 (ms)

4 Byte Real X 發(fā)射坐標系下X (m)

4 Byte Real Y 發(fā)射坐標系下Y (m)

4 Byte Real Z 發(fā)射坐標系下Z (m)

4 Byte Real V 相對發(fā)射點的速度 (m/s)

1 Byte Valid flag 有效標志位 (reset when data reception stops)

2 Byte CRC-checksum CRC校驗位 (X-Modem protocol).

采用此協(xié)議引導雷達跟蹤時，Time為相對時間，X、Y、Z、V為雷達參數(shù)設置時設置的某一空間直角坐標系下的坐標位置與速度，一般將這個坐標系設置為發(fā)射坐標系，有效標志位置為1，表示雷達工作在從動模式，當16位CRC校驗正確后，雷達立即執(zhí)行引導跟蹤，使天線指向引導位置。

3 遙測引導雷達試驗驗證

下面以某導彈飛行試驗時雷達測試的彈道數(shù)據(jù)與遙測發(fā)給雷達的引導時空位置(發(fā)射坐標系)進行比較，雷達首區(qū)布站，布設于距離發(fā)射點1km側后方，遙測地面站首區(qū)布站，布設于距離發(fā)射點1km側后方，雷達旁邊。通過計算，將發(fā)射系下的引導數(shù)據(jù)轉換為引導雷達的俯仰角數(shù)據(jù)如圖5所示。圖5中可以看出，引導數(shù)據(jù)的雷達方位角與雷達自跟蹤方位角偏差最大為-0.04°，引導數(shù)據(jù)的雷達方位角與雷達自跟蹤俯仰角偏差最大為0.2°，而雷達全功率時半波束角為0.5°，不會影響引導測試效果。

圖5 在方位、俯仰方向引導數(shù)據(jù)與雷達數(shù)據(jù)偏差

4 總結

遙測GPS/BD數(shù)據(jù)引導雷達局部組網(wǎng)技術研究，利用GPS/BD組合導航信息，誤差固定，不會隨著時間累加、可全天時進行工作、不受天氣因素的影響等特性，對遙測地面站接收的彈載GPS/BD數(shù)據(jù)進行實時解算和處理，按照設計的通信協(xié)議，發(fā)送至指控網(wǎng)絡，指控網(wǎng)絡實時將引導數(shù)據(jù)發(fā)送至雷達，雷達結合自身站點坐標，利用接收到的實時解算數(shù)據(jù)，實時轉化為俯仰和方位角，實現(xiàn)目標捕獲和跟蹤。研究遙測引導雷達的測試方法，解決了目前武器彈道參數(shù)的測試需求，提高測試可靠性，在試驗測試中具有廣闊的應用前景。